全球导航卫星系统 (GNSS) 是一种卫星配置或星座，提供编码卫星信号，这些信号由 GNSS 接收器处理以计算位置、速度和时间。 GNSS 是一种被动系统，这意味着使用其技术的用户数量没有限制，可供世界各地的任何人使用。
1978年，美国发射了第一颗导航系统卫星。这导致了一个由 24 颗卫星组成的全面运行的星座，称为 NAVSTAR 全球定位系统，在 20 世纪 90 年代初开始运行。如今，该系统简称为全球定位系统 (GPS)，其星座中包含 31 颗卫星。
自从美国发射第一个全球导航卫星系统以来，其他几个国家也发射了类似的全球导航卫星系统星座。其中一些系统目前已可供使用，而另一些系统将在未来几年内全面投入运行，如表 1.4 所示。
| 名称 | 原产地 | 全面投入运营 | 卫星数量 | 载波频率 |
| GPS | 美国 | 1993年 | 31 | L1/L2/L5 |
| GLONASS | 俄罗斯 | 1995年 | 24+ | G1/G2 |
| Galileo | 欧洲 | 2020年 | 30（当前22） | E1/E5a/E5b |
| 北斗 | 中国 | 2020年 | 30（当前28） | B1/B2 |
| QZSS | 日本 | 2024年 | 7（4 当前） | L1/L2/L5 |
GNSS 通过三个不同的部分运行，即空间部分、地面控制部分和用户部分，如图 1.3a 所示。空间段由放置在特定星座中的卫星本身组成，如图 1.3b 所示。地面控制部分利用世界各地的地球跟踪站来管理整个导航系统。美国 GPS 系统的这些站点的具体位置如图 1.4 所示。用户部分由可在世界任何地方使用的 GNSS 接收器组成。
地面控制部分跟踪并监视卫星轨道、时钟和健康状况中的错误和偏差。该信息通过无线电信号发送到空间段。通过地面控制部分跟踪空间部分的轨道并向其上传轨道修正的过程，卫星能够高精度地知道它们所在的位置。然后，卫星将该信息传输回用户段，在用户段中对这些信息进行跟踪、解码并用于确定用户的位置、速度和时间。
图：1.4 GNSS 地面控制站
地面控制部分发送到卫星的信号然后发送到最终用户，称为导航消息。 GPS 导航消息包含四个主要部分：GPS 时间、卫星健康状况、星历和年历。虽然本讨论特定于 GPS 星座，但所有 GNSS 星座都存在基本特征。
导航消息中的 GPS 时间基于能够保持高精度时间的原子钟。它以周数和周秒数指定。周数是一个计数器，指定自 1980 年 1 月 6 日以来已经过去的周数或第 0 周。但是，该计数器只能存储从 0 到 1,023 的值，因此一旦在 1999 年 8 月 21 日到达第 1,024 周，然后又在2019年4月6日，周数回滚到0。周数的这个回滚周期将继续每1,024周重复一次。一周秒数是指本周的秒数，从格林尼治标准时间周日中午 12:00 开始。
卫星健康信息向 GPS 接收器传达卫星是否健康以及其传输的导航数据是否可信。如果卫星被认为是“健康的”，则卫星传输的导航数据被认为是可用的。然而，被认为“不健康”的卫星包含部分或完全无法使用的导航数据。
星历表包含特定于传输导航消息的卫星的高精度轨道数据。该数据自地面控制部分上传至卫星起最多只能在四个小时内使用。因此，地面控制部分每四小时更新一次每颗卫星的星历表。幸运的是，GPS 接收器从卫星下载完整的星历表只需要大约 30 秒。
年历是空间段星座中每颗卫星的低精度星历表的集合。该数据库的更新频率远低于星历表，GPS 接收器大约需要 12.5 分钟才能下载完毕。由于年历包含精度较低的星历表，接收器主要使用此信息来确定哪些卫星很快就会在地平线上可见并进行跟踪。年历还包含将 GPS 时间转换为协调世界时 (UTC) 所需的闰秒信息，因为 UTC 比 GPS 时间滞后闰秒数。
GNSS 接收器跟踪三个原始可观测值：伪距、载波相位和多普勒。
为了确定从卫星到用户的距离，GNSS 接收器测量信号从卫星传播到接收器所需的时间。由于信号以光速传播，因此接收器测量到的信号传播时间的乘积（t）和光速（c) 等于范围 (r = t ⋅ c）。
然而，这种测量依赖于高精度计时。接收器使用低端时钟而不是原子钟进行计时，导致与真实 GPS 时间存在未知偏差。由于这种时钟偏差误差，接收器测量的不是卫星的真实距离，而是伪距（r）。伪距是计算用户位置和时间的基础。
从卫星发送的信号包含称为载波的正弦信号。虽然信号本身不包含信息，但它携带包含已在其之上调制的信息的其他信号。从卫星到接收器的距离可以分解为载波信号的整数个全波长加上分数波长。该分数波长称为载波相位，可以直接测量。尽管独立接收器无法估计整数个波长，但载波相位可用于多接收器技术（称为 RTK）（参见第 1.5节），以实现高精度定位。
当 GNSS 接收器接收并跟踪来自卫星的信号时，由于用户和绕地球轨道运行的卫星的联合运动，信号的频率似乎会发生变化。这种频率变化可用于确定相对速度。多次多普勒频移测量能够为用户产生实际速度。
来自导航消息的信息和原始可观测数据中的数据可用于确定 GNSS 接收器的位置、速度和时间 (PVT)。
虽然距离测量卫星和用户之间的距离，但这种测量本身并不能提供用户的位置。然而，如果能够确定多个卫星的距离测量，则可以使用称为三边测量的方法来估计用户的位置。
三边测量使用从卫星到用户的距离测量来创建包含用户所有可能位置的区域。在 3D 定位的情况下，这个可能的区域是一个半径等于距离测量值的球体，以卫星位置为中心，如图 1.5a 所示。一旦确定了另一颗卫星的附加距离测量值，用户可能的位置就可以缩小到球体相交的圆，如图 1.5b 所示。
为了确定用户的估计位置（精确到单个点），必须计算对三个不同卫星的至少三个距离测量。这三个范围测量提供了用户可能所处位置的三个不同球体，并且全部相交于一点，如图 1.5c 所示。实际上，由于各种误差，这些测量值中的每一个都是不完美的，并且估计位置是根据这些测量值的最佳拟合来计算的，如图 1.5d 所示。
虽然这是三边测量的标准定义，但在 GNSS 的情况下，接收器不会测量到卫星的真实距离，而是由于时钟偏差误差而测量伪距。事实上，需要第四次伪距测量来同时确定估计位置和估计时钟偏差。请注意，在估计时钟偏差时，也会考虑由于天线与其接收器之间的电缆长度引起的延迟，因此电缆长度不会影响定位结果。
GNSS 接收器使用精度较低的时钟，然后使用从卫星发送到接收器的信号中的特定定时消息来遵守 GPS 时间。一旦与 GPS 时间同步，接收器就可以在 GPS 时间的每秒顶部输出一个脉冲每秒信号（PPS）。由于 GPS 时间的前一秒与 UTC 时间的前一秒相同，因此该输出可用于许多不同的计时应用，精度约为 10 纳秒。
首次定位时间是 GNSS 接收器从卫星获取信号、执行三边测量并获得位置解（有时称为 GNSS 定位）所需的持续时间。该时间长度取决于 GNSS 接收器的启动方式。接收器可以使用冷启动、热启动或热启动来启动。如表 1.5 所示，这三种不同类型的初创公司具有不同数量的信息可供接收器在获取 GNSS 定位的过程中使用。
冷启动需要最长的时间才能获得 GNSS 定位，因为接收器不掌握有关卫星位置的信息，并且必须完成 30 秒的星历数据下载。热启动比冷启动花费的时间更少，因为它已经具有有效的年历数据，但是，它并没有快多少，因为它仍然必须等待获取星历数据。热启动所需的时间最短，通常只需几秒钟，因为接收器已经具有有效的年历数据、星历数据和时间。
GNSS 接收器启动类型（表 1.5）
| 启动 | 存储的接收器数据 | 例子 |
| 冷启动 | 无可用信息 | GNSS 接收器首次打开，或者距离上次打开接收器已有很长时间。 |
| 热启动 | 接收器仅具有有效的年历数据 | 关闭一天后打开接收器。 |
| 热启动 | 接收器具有有效的年历数据、星历数据和时间 | 当接收器关闭时间少于四个小时时打开接收器。需要持续的备用电源来维持时钟。 |
• 3DM-CX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 导航传感器
• 3DM-GX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 导航传感器
• 3DM-GQ7-GNSS/INS 双天线多频段RTK导航系统
• Advanced Navigation Spatial MEMS GNSS/INS 传感器
• Advanced Navigation Certus MEMS GNSS/INS 传感器
• Advanced Navigation Certus Evo MEMS GNSS/INS 传感器
